污水有机质中有机污染物筛查及光转化研究

Effluent organic matter (EfOM) discharged from municipal wastewater treatment plants, consist of an important fraction of organic matter in the aquatic system. It is also considered as a main origin of trace organic contaminants (TOrCs) emissions to the aquatic system, thus its migration and transformation have received considerable attention. Photochemical oxidation process is important in the transformation of effluent organic matters in the environment. The relationships between the phototransformation of the chemical composition and the photochemical as well as the spectral behaviors under solar irradiation are still unknown. It is of great important to explore the relationships for the intensive knowledge of migrating mechanism in the aquatic environment. Comprehensive screenings, using high resolution mass spectrometry, will be performed in this study to identify the TOrCs in EfOM from different wastewater treatment plants. For the investigation of the phototransformation mechanism of EfOM, series of experiments are planned to conduct to explore the role of reactive oxygen species in the phototransformation process of EfOM. Coupled with the kinetic study of ROS, this study aims to build up the relationship of the composition of EfOM and the formation of ROS. Meanwhile, the other goal of this study is to find the indicators and the surrogates to characterize the phototransformation of EfOM.

市政污水处理厂出水中含有一定量的难生物降解的有机质（EfOM），其组成复杂，是有机污染物进入水环境的主要途径。太阳光转化是EfOM重要的环境转化过程。探讨EfOM的光化学变化机制，光化学行为和光谱学信息之间的关联具有重要的科学意义。本课题运用高分辨质谱结合数学工具对EfOM中有机污染物进行非靶标筛查，对比不同来源的污水中有机污染物的组成；针对EfOM在太阳光照过程中的光降解机制这一科学问题，通过自由基淬灭/增强实验结合高分辨质谱分析阐明EfOM的光降解机制，挖掘化学指示物以及光谱指示因子来表征有机污染物的光化学变化；结合活性氧物种的动力学研究，建立EfOM组成变化与活性氧物种生成机制机理之间的关联。阐明EfOM中痕量有机污染物的光化学转化过程，为深入了解EfOM及其光化学归趋研究提供理论基础；在环境工程应用方面，本课题亦可以为氧化稳定塘，人工湿地等生态水深度处理工艺的设计提供科研依据。

太阳光转化是水环境中有机物的重要自然代谢过程，而市政污水因其对水环境存在潜在负面影响，其在水环境中的迁移转化过程受到环境工作者的广泛关注。本研究通过多种自由基淬灭/增强实验研究了污水中有机物的光转化动力学，阐明了不同自由基在污水有机质光化学转化中的贡献；同时应用关联分析探讨总结了光化学转化过程发生的主要反应类型。通过统计分析对污水中的9694个有机物进行分类，分为光稳定化合物（65%）、光降解化合物（31%）以及转化产物三类。其中光降解化合物通过对比它们在自由基淬灭/增强实验中的动力学行为进一步分为五组，即：直接光降解主导降解（Group I），羟基自由基相关自由基主导降解（Group II），三线态主导降解（Group III），各种活性物种协同降解（Group IV）以及非假一级降解。针对光降解化合物与光转化产物之间的关联分析发现氧加成和脱烷基反应是在污水有机物光转化过程中最普遍的反应类型。另一方面，本研究选取了罗红霉素、阿奇霉素、红霉素和克拉红霉素四种大环内酯类抗生素，探讨太阳光照射下它们在模拟天然水环境中的转化动力学规律和转化路径。结果表明，三线态有机物(3DOM*)在MLs光转化中起着重要作用。同时，本研究发现在模拟天然水中由羟基自由基产生的次生有机自由基对克拉霉素的光转化也具有潜在重要贡献。维恩图和系统聚类等数理统计分析方法在本研究中用于提取MLs潜在的光转化产物。根据对比产物和母体化合物的二级质谱图信息，鉴定了所选MLs的转化产物，最终通过关联分析将这些转化产物集合在一个以MLs为核心化合物的光代谢网络。本研究利用高分辨质谱的高通量信息首次实现了对污水中非靶向有机物的光转化过程进行系统全面的分析，为水环境光化学转化提供了一个综合性的认识。